JPH01232201A - レーザ干渉測長機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野］ この発明は、移動物体の距離又は長さを正確に測定する
レーザー干渉測長機に関し、特に簡易な構成で移動物体
の距離又は長さを正確且つ安定して測定することができ
るようにしたものである。

〔従来の技術〕

従来のレーザー干渉測長機としては、例えば特開昭６２
−２０１３０１号公報に記載されているものがある。

この従来例は、略平行な光ビームを出射する多面が半透
鏡であるレーザー装置と、該レーザー装置の光ビームの
光軸と光軸を一致させ且つ一端に入射した光ビームの焦
点となる他端に半透鏡を形成した光学レンズとを相対移
動可能に配置し、且つ前記光学レンズの出射端に生じる
干渉縞を光電変換する光電変換手段と、該光電変換手段
の検出信号に基づき干渉縞の通過本数及び移動方向を検
出して前記レーザー装置と光学レンズとの相対距離を検
出する相対距離検出手段とを備えた構成を有する。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記従来のレーザ測長機にあっては、レ
ーザ装置とこれに対して相対移動する光学レンズとを対
向して配置する必要があり、レーザ装置としてＨｅ−Ｎ
ｅレーザなどのガスレーザを使用する場合には、大きな
設置面積が必要となると共に、光軸合わせのために移動
体と直線上にレーザを配置する必要があるため、小型の
移動物例えば半導体露光装置に使用する微動ステージな
どの微動測定を行う場合には設置が困難となり、また設
置条件もレンズ特性によってはレーザ装置と光学レンズ
との距離を長くとる必要がある場合には外来振動、雰囲
気温度、気流等の影響を受けて干渉縞が揺らいで測定困
難となる等の未解決の課題があった。

また、レーザ装置の半透鏡と屈折率分布型レンズのハー
フミラ−との間で反射を繰り返すので、屈折率分布型レ
ンズの反射光の一部がレーザ装置の半透鏡から光共振器
に戻り光として入射することがあり、この戻り光によっ
てレーザ装置１の発振周波数や強度に影響を与えて干渉
縞の揺らぎの原因となり、明確な干渉縞を得ることがで
きないという未解決の課題もあった。

そこで、この発明は、上記従来例の未解決の課題に着目
してなされたものであり、レーザ装置の設置場所を任意
に選定することが可能で且つレーザ装置に対する戻り光
の影響や外来振動、雰囲気温度、気流等の影響が殆どな
いレーザ測長機を提供することを目的としている。

〔課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、この発明は、略平行なレー
ザ光を出射するレーザ装置からのレーザ光が光ファイバ
を介して入射され且つ出射端面が半透鏡であるコリメー
タレンズと、該コリメータレンズから出射されるレーザ
光の光軸と光軸を略一致させ且つ一端に入射した光ビー
ムの焦点となる他端にハーフミラ−を形成した光学レン
ズとを相対移動可能に配置し、且つ前記光学レンズの出
射端に生じる干渉縞を光電変換する光電変換手段と、該
光電変換手段の検出信号に基づき干渉縞の通過本数及び
移動方向を検出して前記コリメータレンズと光学レンズ
との相対距離を検出する相対距離検出手段とを備えてい
ることを特徴としている。

また、光学レンズに形成するハーフミラ−は光ビームの
入射端面倒に形成するようにしてもよい。

さらに、光ファイバとしては、単一モード光ファイバを
適用することが好ましい。

またさらに、コリメータレンズの出射端面を平面として
光学レンズの出射端面に平行な干渉縞を形成する。

そして、光学レンズの出射端面に生じる平行な干渉縞を
効率良く検出するために、光電変換手段を光ファイバを
干渉縞方向に平面層状に配列したフラット光ファイバを
多層に配列し、各フラット光ファイバの出射端部を束ね
て光電検出器に対向させる。

さらに、光電変換手段を小型化するために、光学レンズ
の出射端面に生じる平行な干渉縞を円筒レンズで干渉縞
の延長方向に圧縮し、その圧縮した光学像を２層のフラ
ット光ファイバに入射させる。

〔作用］ この発明においては、レーザ装置からのレーザ光を光フ
ァイバを介して出射端面に半透鏡を形成したコリメータ
レンズに入射し、コリメータレンズから出射されるレー
ザ光を、出射端側又は入射端側にハーフミラ−を形成し
且つ入射した光ビームの焦点が出射端となるようにした
光学レンズに入射することにより、光学レンズのハーフ
ミラ−で光ビームの一部が反射されてコリメータレンズ
の出射端に戻り、ここで、再度反射されて光学レンズに
入射されることにより、この反射光とコリメータレンズ
からの直接入射光との間で干渉させ、光学レンズの出射
側に干渉縞を生成させる。このとき、コリメータレンズ
の出射端面が凸面であるときには、光学レンズの出射端
に生じる干渉縞が同心円吠となり、コリメータレンズの
出射端面が平面であるときには、ファブリペロ−型干渉
計の構成となり、光学レンズの出射端に生じる干渉縞が
平行縞となる。この干渉縞の明暗を光電変換手段で電気
的信号に変換し、この変換信号を相対距離検出手段に供
給することにより、この干渉縞の明暗の移動方向及び通
過本数を測定してレーザー装置と光学レンズとの間の相
対距離の増加又は減少の判別を含む相対移動距離の測定
を行う。

また、光学レンズのハーフミラ−で反射された反射光の
うちコリメータレンズに入射する戻り光は５０％程度で
あり、このうち直径４μｍ程度の単一モード光ファイバ
に入射される戻り光はその臨界角の存在により、殆ど無
視できる程度となり、さらに光ファイバ内を伝搬する際
に減衰し、その減衰光の１％以下が入射レンズを介して
レーザ装置１内に入射されるので、実際にレーザ装置１
内に入射される戻り光は殆どなく、戻り光によってレー
ザ装置が影響されることを防止できる。

さらに、光学レンズと光電変換手段との間に円筒レンズ
を介挿することにより、光学レンズの出射端面に生じる
平行干渉縞をその延長方向に圧縮することができ、光電
変換手段の平行干渉縞の延長方向の長さを短縮すること
ができる。

〔実施例〕

以下、この発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図はこの発明の一実施例を示す構成図である。

図中、１は任意の固定部に配置されたレーザ装置であっ
て、例えばＨｅ−Ｎｅレーザで構成され、このＨｅ−Ｎ
ｅレーザは、外部鐘形に構成され、レーザ管２のブルー
スター窓３ａ、３ｂに対向して、光共振器を構成する全
反射鏡４ａと反射率９９％の半透鏡４ｂとが配設され、
半透鏡４ｂから単一波長の平行なレーザ光を出射する。

このレーザ装置１から出射されるレーザ光は入射レンズ
６を介して単一モード光ファイバ７に入射され、この光
ファイバ７内を出射端側に伝搬する。光ファイバ７の出
射端面は、平凸レンズ等のコリメータレンズ８の入射端
に接続されている。

このコリメータレンズ８は、固定部にその光軸が水平方
向となるように固定され、且つ出射端面が平面とされ、
この出射端面に例えば金を蒸着して半透鏡８ａが形成さ
れている。

一方、コリメータレンズ８から出射されるレーザ光９に
対向する位置にレーザ光９に沿って移動可能な被距離測
定移動体１０が配設され、この移動体１０に光軸を光ビ
ームの光軸と略一致させて屈折率分布型レンズ１１が取
付けられている。この屈折率分布型レンズ１１は、第２
図ｆａ）及び（ｂ）に示すように、光学用ガラスロンド
の屈折率をイオン拡散によって中心軸から離れる程、屈
折率の値を小さくするようにしたもので、その屈折率は
しンズの半径方向をＸ軸とし、屈折率分布定数をＡとす
ると次式で表すことができる。

ｎ（ｘ）　＝ｉｌ、　　（１’ＡＡｘ”）　　＋・＊＋
＋＋＋＋＋・＋＋（１）そして、屈折率分布型レンズ１
１のコリメータレンズ８側の入射端１１ａとは反対側の
出射端１１ｂに例えば金を蒸着してハーフミラ−１２が
形成されている。ここで、屈折率分布型レンズ１１の長
さは、入射端１１ａに入射されるレーザー光の焦点が出
射端となるように選定されている。

また、移動体１０の屈折率分布型レンズ１１のハーフミ
ラ−１２に対向する位置に光電変換手段１３が配設され
ている。この光電変換手段１３の一例は、第３図に示す
ように、多数の光ファイバ１４を水平方向に平面層状に
配列してフラット光ファイバ１５を形成し、このフラッ
ト光ファイバ１５を多数積層して入射端側に方形の受光
面Ｒが形成され、各フラット光ファイバ１５の出射端側
か束ねられてフォトダイオード等の複数の光電変換素子
１６の入射端に対向された構成を有し、これら光電変換
素子１６で受光面Ｒに照射された光線の平行縞状の面信
号を点信号とし、これを干渉縞検出信号として出力する
。

光電変換手段１３から出力される干渉縞検出信号は、Ａ
／Ｄ変換器１７を介して処理装置１８に供給される。こ
の処理装置Ｉ８は、各光電変換素子１６の検出信号を夫
々パルス信号形成回路１９に供給して、このパルス信号
形成回路１９で所定周期で走査することにより、パルス
信号に変換し、その９０度の位相差（Ａピッチ）を有す
る２周期分のパルス信号を方向判別回路２０に供給して
、移動方向に応じた加算パルス信号及び減算パルス信号
を形成し、これら加算及び減算パルス信号を逓倍回路２
１で４逓倍してからアソプダウンカウンク２２に供給す
る。したがって、カウンタ２２のカウント値によってコ
リメータレンズ８と移動体１０との間の相対距離を検出
することができる。

次に、上記実施例の動作について説明する。レーザ装置
１から出力されたレーザー光は、入射レンズ６を介して
単一モード光ファイバ７内に入射され、この光ファイバ
７内を伝播してコリメータレンズ８に入射される。そし
て、このコリメータレンズ８の出射端面から平行レーザ
光９として移動体１０に載置された屈折率分布型レンズ
１１の入射端１１ａに入射される。この屈折率分布型レ
ンズ１１に入射されたレーザ光は、第４図に示す如く、
出射端１１ｂ位置で収束し、そのうちの約５０％がハー
フミラ−１２によって反射されてコリメータレンズ８側
に戻り、その出射端面で約５０％が反射されて再度屈折
率分布型レンズ１１に入射する。したがって、屈折率分
布型レンズ１１に直接入射されるコリメータレンズ８か
らの直接光と、その反射光とではコリメータレンズ８の
出射端と屈折率分布型レンズ１１のハーフミラ−１２と
の光学距離の２倍の光路差を生じ、両者が干渉すること
になる。この干渉により、屈折率分布型レンズ７の出射
側に第４図に示すように、鮮明で且つ間隔が一定な平行
干渉縞２５を生じる（なお、第４図においては暗部をハ
ツチングで示している）。このように、平行な干渉縞２
５を生じる理由は、コリメータレンズ８の出射端と屈折
率分布型レンズ１１の出射端のハーフミラ−１２が何れ
も平面であり、ファブリベロー型干渉計の構成となるた
めである。

そして、この干渉縞９が光電変換手段１３の受光面Ｒに
投影されるので、これがフラット光ファイバ１５を通じ
て光電変換素子１６に点情報として伝達され、この光電
変換素子１６から受光面Ｒの上下方向の各点の明暗に応
じた干渉縞検出信号がＡ／Ｄ変換器１７を介して処理装
置１８に人力される。

したがって、処理装置１８のパルス信号形成回路１９で
所定周期で走査することにより、受光面Ｒの上下方向の
光強度分布を表す波形信号を得、その９０度の位相差を
有する２周期分の波形信号を必要に応じて波形整形して
夫々方向判別回路２０に供給することにより、干渉縞２
５の移動方向を判別する。この場合の判別は、千部縞２
５の移動方向が受光面Ｒの下側から上側に移動する場合
には、コリメータレンズ８と移動体１０との距離が減少
するものとして、その干渉縞２５の移動に応じて減算パ
ルス信号を出力し、逆に干渉縞２５の移動方向が受光面
Ｒの上側から下側に向かって移動する場合には、コリメ
ータレンズ８と移動体１０との距離が増加するものとし
て、その干渉縞２５の移動に応じた加算パルス信号を出
力する。

また、干渉縞２５が移動せず、波形信号の変化がない場
合には、コリメータレンズ８と移動体１０との移動距離
が変化しないものとして、減算パルス信号及び加算パル
ス信号の何れも出力しない。

そして、方向判別回路２０から出力される減算パルス信
号及び加算パルス信号を逓倍回路２１に供給して４逓倍
し、これら逓倍信号をアップダウンカウンタ２２に供給
することにより、そのカウント値がコリメータレンズ８
と移動体６との間の相対距離に対応したものとなり、こ
れを適当な表示装置に出力することにより、ディジタル
表示することができる。

このとき、干渉縞２５の明暗は、コリメータレンズ８と
移動体１０との距離がＨｅ−Ｎｅレーザー光線（波長０
．６３２８μｍ）の２波長分即ち０゜３１６４μｍ変化
する毎に反転するので、これを逓倍回路２１で４逓倍す
ることにより、１／８波長即ち０．０７９１μｍの分解
能を得ることができる。

また、屈折率分布型レンズ１１のハーフミラ−１２で反
射された反射光がコリメータレンズ８に到達したとき、
その半透鏡８ａで５０％が再反射され、残りの約５０％
はコリメータレンズ８内に戻り光として入射されるが、
この戻り光のうち単一モード光ファイバ７内に入射する
戻り光は、直径約４μｍと僅少であり、また臨界角が小
さいので無視できる程度となり、しかも単一モード光フ
ァイバ７内に入射した戻り光はファイバ内を伝搬する過
程で減衰し、さらにレーザ装置１の半透鏡４ｂによって
９９％が反射されるので、実際にレーザ装置１のレーザ
共振器に入射される戻り光は殆どなくなり、レーザ装置
ｌの発振周波数や強度に影響を与えることがなく、干渉
縞に揺らぎを生じることがなく、明確な干渉縞を得るこ
とができる。

さらに、固定部に振動が伝達されたときに、コリメータ
レンズ８と移動台１０とに位相遅れの殆どない振動が伝
達されるので、コリメータレンズ８と移動台１０上の屈
折率分布型レンズ１１とが同期して振動することになり
、両者の光軸ずれを起こすことがないので、振動の影響
により、光電変換素子１６の出力変動を伴うことがなく
、正確な測定データを得ることができる。因みに、従来
例においては、レーザ装置のレーザ光を直接屈折率分布
型レンズに入射するようにしており、レーザ装置自体が
大きく、レーザ装置の屈折率分布レンズ側とその反対側
とでは振動の位相及び振幅が異なるので、外部振動入力
に対してレーザ装置が複雑に振動し、このレーザ装置と
屈折率分布型レンズとが非同期状態で振動することにな
り、レーザ装置の光軸と屈折率分布型レンズの光軸とが
ずれて光電変換素子の出力が外部振動に応じて変動する
ことになり、正確な測長を行うことができない。

上記実施例のように、光学レンズとして屈折率分布型レ
ンズ１１を使用したことにより、コリメータレンズ８か
ら出射されるレーザ光９の光軸とレンズ１１の中心軸と
の間に多少の位置ずれ又は角度ずれが生じても屈折率分
布型レンズ１１は収束性を有するので、干渉縞２５の発
生に大きな影響を与えることがなく、屈折率分布型レン
ズ１１の取付精度を高精度にする必要はない。

また、上記実施例のように、光電変換手段１３として、
光ファイバＩ４を平面層状に配置したフラット光ファイ
バ１５を多数積層して方形の受光面Ｒを形成し、各フラ
ット光ファイバ１５の他端を束ねて夫々光電変換素子１
６に対向させることにより、受光面Ｒに生じる平行干渉
縞２５の面情報を点情報として得ることができ、光電変
換素子■６に対する入射光量も多くなるので、処理装置
１８による処理を容易に行うことができると共に、レー
ザ光９と屈折率分布型レンズ１１との光軸合わせを容易
に行うことができる利点がある。すなわち、多層のフラ
ット光ファイバ１５の１つとこれと直交する方向の１列
の光ファイバ１４とを夫々光電変換素子に接続し、これ
らの光強度の分布を計測し、中心に対して対称分布とな
るように屈折率分布型レンズ１１をセントすることによ
り、通常のレーザー干渉計と比較して光軸合わせをより
簡単に行うことができる。

なお、上記実施例においては、屈折率分布型レンズ１１
の出射端に形成される平行干渉縞を直接光電変換手段１
３の受光面Ｒに投影する場合について説明したが、これ
に限らず両者間に円筒レンズを配置し、この円筒レンズ
によって平行干渉縞の延長方向の長さを圧縮した光学像
を形成し、この光学像を２層のフラット光ケーブル１５
に入射させるようにしてもよく、この場合には、光電変
換手段の幅方向の長さを短縮することができる。

また、上記実施例においては、レーザー装置１、単一モ
ード光ファイバ７及びコリメータレンズ８を固定部に、
屈折率分布型レンズ１１．光電変換手段１３を移動体１
０に配置する場合について説明したが、これに限定され
るものではなく、これらの配置関係を逆関係にすること
もでき、また、両者を夫々別体の移動体上に配置するこ
とにより、再移動体の相対移動距離を計測することがで
きる。

さらに、上記実施例においては、光学レンズとして屈折
率分布型レンズ１１を適用した場合について説明したが
、これに限定されるものではなく、２つのボールレンズ
を組合わせて一方のボールレンズに入射されるレーザー
光を他方のボールレンズの出射側端に収束させるように
し、その出射端にハーフミラ−を形成するようにしても
よく、また、長焦点の端面焦点形ドラムレンズを使用し
てその出射端面をハーフミラ−としてもよく、要はレー
ザー光の焦点が出射端となるようにすればよく、また出
射端面にハーフミラ−を形成する場合に限らず入射端面
にハーフミラ−を形成しても上記実施例と同様の作用効
果を得ることができる。

またさらに、上記実施例においては、屈折率分布型レン
ズ１１の出射端面に平行干渉縞２５を形成させるように
した場合について説明したが、これに限らず、コリメー
タレンズ８の出射端面を僅かに凸の球面状に形成するこ
とにより、屈折分布型レンズ１１の出射端面に同心円状
の干渉縞を形成することができ、この場合には光電変換
手段１３における光ファイバ１４を同心円状に束ねて円
形の受光面を有するバンドルファイバとし、その同心円
上の光ファイバの出射端側を束ねて光電変換素子に対向
させることにより、同心円の面情報を点情報に置換する
ことができる。

また、光電変換手段１３としては、フラット光ファイバ
ー１５及び光電変換素子１６を使用する場合に限らず、
光電セル、イメージセンサ等の光電変換手段を適用する
ことができ、特にイメージセンサを適用した場合には、
その出力をパターン認識することにより、移動体の蛇行
や傾斜の程度を検出することも可能となる利点がある。

さらに、レーザー装置１としては、Ｈｅ　−Ｎｅレーザ
ーに限定されるものではなく、周波数安定性があるもの
又は周波数安定性がなくてもその周波数変動を補償する
ように構成されたレーザーであれば、他の気体レーザー
、固体レーザー、半導体レーザーを使用することができ
、特に半導体し一ザーを使用する場合には、全体の構成
をより小型化することができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、この発明によれば、レーザ装置に
光ファイバを介して接続され、且つ出射端面に半透鏡が
形成されたコリメータレンズと、これから出射されるレ
ーザ光の焦点位置又は入射端面にハーフミラ−を形成し
た光学レンズと、その出射端に対向して配置した光電変
換手段と、この光電変換手段からの干渉縞検出信号を処
理してレーザ装置と光学レンズとの間の相対移動距離を
検出する相対移動距離検出手段とを設けるだけの極めて
簡易な構成で、高精度の測長機能を得ることができ、し
かも測長部には、コリメータレンズのみを光学レンズと
対向させて固定配置するだけでよいので、小さな設置場
所にも配置することができ、そのうえ振動の影響やレー
ザ装置に対する戻り光の影響を除去することができる効
果が得られる。

また、光ファイバとして単一モード光ファイバを使用す
ると、振動によってモード変換を生じることがないと共
に、温度変化の影古も受けずに正確な測長を行うことが
できる。

さらに、コリメータレンズの出射端を平面とすることに
より、光学レンズの出射端に間隔が一定な平行干渉縞を
明確に形成することができる。

またさらに、光電変換手段をフラット光ファイバを多数
積層して受光面を形成し、各フラット光ファイバの出射
端を束ねて光電変換器に対向させることにより、平行干
渉縞を点情報として検出するとこができ、距離測定処理
を容易に行うことができる。

またさらに、光学レンズの出射端に形成された平行干渉
縞を円筒レンズでその延長方向を圧縮した光学像とし、
これを２層のフラット光ケーブルに入射することにより
、光電変換手段の幅方向の長さを短縮することができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す構成図、第２図ｆａ
）及び（ｂ）は夫々この発明に適用し得る屈折率分布型
レンズの斜視図及びその屈折率分布状態を示す図、第３
図はこの発明に適用し得る処理装置の一例を示すブロッ
ク図、第４図はこの発明の詳細な説明に供する説明図で
ある。 図中、１はレーザー装置、４ｂは半透鏡、６は入射レン
ズ、７は単一モード光ファイバ、８はコリメータレンズ
、９はレーザ光、１０は被距離測定移動体、１１は屈折
率分布型レンズ、１２はハーフミラ−１１３は光電変換
手段、１４は光ファイバ、１５はフラット光ファイバ、
１６は光電変換素子、１８は処理装置、１９はパルス信
号形成回路、２０は方向判別回路、２Ｉは逓倍回路、２
２はアップダウンカウンタ、２５は干渉縞である。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）略平行なレーザ光を出射するレーザ装置からのレ
   ーザ光が光ファイバを介して入射され且つ出射端面が半
   透鏡であるコリメータレンズと、該コリメータレンズか
   ら出射されるレーザ光の光軸と光軸を略一致させ且つ一
   端に入射した光ビームの焦点となる他端に半透鏡を形成
   した光学レンズとを相対移動可能に配置し、且つ前記光
   学レンズの出射端に生じる干渉縞を光電変換する光電変
   換手段と、該光電変換手段の検出信号に基づき干渉縞の
   通過本数及び移動方向を検出して前記コリメータレンズ
   と光学レンズとの相対距離を検出する相対距離検出手段
   とを備えていることを特徴とするレーザ干渉測長機。
2. （２）略平行なレーザ光を出射するレーザ装置からのレ
   ーザ光が光ファイバを介して入射され且つ出射端面が半
   透鏡であるコリメータレンズと、該コリメータレンズか
   ら出射されるレーザ光の光軸と光軸を略一致させ且つ光
   ビームの入射端面に半透鏡を形成し他端を焦点とした光
   学レンズとを相対移動可能に配置し、且つ前記光学レン
   ズの出射端に生じる干渉縞を光電変換する光電変換手段
   と、該光電変換手段の検出信号に基づき干渉縞の通過本
   数及び移動方向を検出して前記コリメータレンズと光学
   レンズとの相対距離を検出する相対距離検出手段とを備
   えていることを特徴とするレーザ干渉測長機。
3. （３）前記光ファイバは単一モード光ファイバである請
   求項（１）又は（２）記載のレーザー干渉測長機。
4. （４）前記コリメータレンズの出射端面を平面とした請
   求項（１）乃至（３）の何れかに記載のレーザ干渉測長
   機。
5. （５）前記コリメータレンズの出射端面を平面として、
   光学レンズの出射端に平行な干渉縞を形成させ、且つ前
   記光電変換手段が多数の光ファイバを平面層状に配列し
   たフラット光ファイバを多層に配列し、各層のフラット
   光ファイバ毎にその出射端部を束ねて光電検出器に対向
   させるように構成した請求項（１）乃至（４）の何れか
   に記載のレーザ干渉測長機。
6. （６）前記光学レンズの出射端及び光電変換手段間に円
   筒レンズを介挿して平行な干渉縞をその縞の長さ方向に
   圧縮した光学像を２層のフラット光ファイバに入射させ
   るようにした請求項（５）記載のレーザ干渉測長機。